Implementering av overvåkingssystem for batteri i elektrisk racerbil

Abstract

Denne oppgaven er skrevet i samarbeid med ION Racing, en studentorganisasjon ved Universitetet i Stavanger som hvert år bygger en elektrisk racerbil for å konkurrere i Formula Student konkurransen. Oppgaven dreier seg om implementering og ferdigstillelse av et batteriovervåkningssystem i racerbilens batterisystem. Batteriovervåkingssystemet var delvis designet i en tidligere masteroppgave skrevet våren 2020, men pga. koronasituasjonen som oppstod ble lite av de praktiske og programmerings delene i implementeringen fullført. For å implementere et fullstendig system dekker da oppgaven videre design av tidligere tenkt batterisystem, konstruksjon av batteripakker med nødvendige kretskort og programmering av overvåkingssystemet med nødvendig kommunikasjon til eksisterende system i bilen.

Under designprosessen ble det tydelig at flere endringer måtte utføres på det tidligere designet ettersom det ble funnet feil som ikke ville fungere og designløsninger som ikke var tillatt etter konkurransens regelverk. Det ble dermed gjort flere design endringer på alle de forskjellige kretskortene (tilkoblings-, slave- og master-kretskort) som inngår i batterisystemet. De nydesignede kretskortene har også redusert kompleksitet og økt isolasjonsevne. Batterisystemets konstruksjon har blitt forbedret blant annet med mer isolasjon og redusert sannsynlighet for kortslutning.

Mikrokontrolleren i systemet som styrer mastermodulen har fått implementert fungerende C-kode for overvåking av strøm, spenning og temperatur i batterisystemet. Samtidig med kommunikasjon over isoSPI til styring av slavemoduler, kommunikasjon over CANbus til andre systemer i bilen og kommunikasjon over RS232 til datamaskin. Det er også implementert cellebalansering og enkel estimering av ladestatus. På datamaskinen er det implementert et kjørende grafisk brukergrensesnitt i Python som presenterer all data fra batteriovervåkingssystemet. Her utføres enkel databehandling for å fremstille nøkkeldata og støtter ulike ekstra funksjoner.

Det er altså implementert kode og redesignet nødvendige kretskort for å oppnå alle de opprinnelige mål som medfølgte oppgaveteksten. For å videre ferdigstille batteriovervåkingssystemet mangler en del testing med sammenstilling av hele bilen. Dette er en begrensning som ikke har nådd opp ettersom det er flere andre systemer på bilen fra andre medlemmer i ION Racing som må ferdigstilles før fullstendig testing av batteriet kan gjennomføres. Testene som er utført så langt viser gode resultater som tyder på et vellykket produkt.

This thesis is written in collaboration with ION Racing, a student organization at the University of Stavanger that each year builds an electric race car to compete in the Formula Student competition. The task is to implement and complete a battery management system in the race car's battery system. The battery management system was partly designed in a previous master's thesis written in the spring of 2020 however, few of the practical and programming aspects were completed due to the corona situation. To implement a complete system, the project includes further design of the previously conceived battery system, construction of battery packs with necessary circuit boards and programming of the management system with necessary communication to the existing system in the car.

During the design process, it became clear that several changes had to be made to the previous design because of fundamental errors that would disqualify the design due to competition reglations. Several design changes were thus made to all of the different circuit boards (connection, slave and master circuit boards) that are part of the battery system. The newly designed circuit boards have also reduced complexity and increased insulation. The construction of the battery system has been improved, among other things, with more insulation and a reduced probability of a short circuit.

The microcontroller in the system that controls the master module has been implemented with working C-code for monitoring current, voltage and temperature in the battery system. Simultaneously with communication via isoSPI for control of slave modules, communication via CANbus to other systems in the car and communication via RS232 to the computer. Cell balancing simple state of charge estimation have also been implemented. The computer has a running graphical user interface implemented in Python that presents all data from the battery management system. Here, simple data processing is performed to produce key data and supports various additional functions.

The code has been implemented and the necessary circuit boards have been redesigned to achieve all the original goals that came with the thesis text. To further complete the battery management system, some testing with assembly of the entire car is missing. This is a limitation that has not been reached as there are several other systems on the car from other members of ION Racing that must be completed before complete testing of the battery can be carried out. The tests performed so far show good results indicating a successful product.